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鐵道車輛車輪的有限元分析

發布於:2019-01-28 21:47
有限元分析

      高速、重載是鐵路現代化的重要標誌之一,同時隨著城市化的不斷發展,地鐵、輕軌等各種交通工具也相繼繁榮起來。列車速度的提高、軸重的增大,不僅加大了輪軌間的動作用力,同時,製動時踏麵所承受的熱負荷也隨之增大,作為機車車輛重要承載部件的車輪所承受的負荷越來越惡劣,因此在現代鐵道車輛設計中,車輪的安全性、可靠性設計就顯得極為重要。隨著現代計算機技術和有限元技術的發展,用有限元方法分析鐵道機車車輛零部件的強度變得日益廣泛。
      ANSYS軟件是工業界運用最為廣泛的大型有限元軟件,具有熱、機械、電磁場等多種分析功能。菠菜圈利用其強大的計算功能進行了大量有實際意義的設計工作,尤其在鐵路車輛輪軸方麵,結合近年來鐵路的發展,開發了一係列新型產品,滿足了不同的運用要求。本文以某21t軸重動車車輪為例說明應用ANSYS軟件有限元分析車輛車輪強度的方法。
      目前關於車輪強度的分析和評定,隻有美國AAR標準《機車和貨車車輪設計分析評定辦法》(以下簡稱:美國規範),標準規定了計算載荷、計算工況,采用了比較的評定辦法,但這一規範比較粗糙;另外在歐洲EN標準中規定了車輪的設計和分析方法,但隻限於外部機械載荷,有些片麵,除此而外,並無完整的關於車輪的分析評定方法,菠菜圈根據多年來從事輪軸設計的經驗,結合車輪實際受力狀態,較全麵的分析了車輪的各種受力情況。美國規範采用對比法,對新輪和磨耗到限車輪分別計算,同時和在用的比較好的車輪進行應力比較。本文考慮到磨耗到限車輪比新製車輪受力狀態惡劣,因此選用磨耗到限車輪作為計算對象。
      車輪在運行過程中承受多種複雜的載荷。軌道對車輪徑向和橫向作用力、製動過程中閘瓦對車輪的摩擦熱負荷、輪對壓裝過盈配合、高速時旋轉引起的離心力等均對車輪的應力分布有著很大的影響。由於輪軸配合屬於過盈配合,存在於各種工況,而且,不同的壓裝過盈量對車輪的應力影響較大,同時對輪軸的壓裝配合緊固度也有很大的影響,因此計算分別考慮了在最小和最大過盈量下車輪各種工況下的強度。(1)計算模型考慮比較惡劣的工況,計算不計製動時閘瓦所吸收的熱量,假設熱量全部被車輪吸收,且在整個車輪踏麵圓周上均勻的輸人,亦即熱負荷是軸對稱的,該問題屬於軸對稱問題,但為了在應力計算中采用同一模型,以便利用溫度場計算的結果,因此根據車輪結構及載荷的對稱性,建立1/2車輪模型進行計算,計算模型如圖。
      溫度場計算溫度場計算的載荷是由於對車輪施行恒速製動或單元類型為SOLID。熱分析體單元,材料特性參數如表,溫度場計算結果如圖。強度計算強度計算單元類型是SDLID45結構分析體單元。計算熱應力所需的溫度場分布可直接從前麵的熱計算結果中讀取。模型在對稱麵節點上施加對稱約束,軸端施加固定位移約束。材料彈性模量為0.21Pa,泊鬆比為0.3,根據實際情況,將對車輪從靜強度、疲勞強度及輪軸緊固度三個方麵進行評定。W靜強度分析及評定為使車輪滿足運用強度要求,車輪各關鍵位置點的最大Vonmises應力應小於車輪材料的屈服極限。Vonmises應力的計算公式為計算結果是車輪在各工況下關鍵部位的應力均低於車輪的屈服極限,認為車輪的靜強度能夠滿足要求。圖中隻給出了直線製動和曲線製動工況下等效應力分布情況。
      疲勞強度評定由於車輪的轉動,其上各點的應力呈三向交變的應力狀態,本文采用等效應力幅及等效平均應力對車輪上各點進行疲勞強度校核。疲勞強度滿足要求的條件是車輪上各點(奇異點除外)的疲勞安全係數應大於等於1,根據上述公式及參數計算,計算表明各上況下各點的疲勞安全係數均大於1,因此車輪在計算工況下各點的疲勞強度滿足應用要求。輪軸緊固度評定車輪運行過程中,為保證車輪和車軸不發生相對轉動或脫離,計算表明在外載荷作用下,配合麵上接觸壓應力呈不均勻分布,且分布規律和大小隨外載荷及過盈量的不同而變化;製動熱負荷作用下,接觸壓應力明顯降低,影響輪軸配合品質;上述各工況下,計算的接觸壓應力均高於要求的最低值,說明在選定的過盈量下,輪軸具有足夠的緊固度。
      (1)根據以上的分析認為,所設計車輪的靜強度和疲勞強度滿足運用要求,輪軸緊固度足夠。(2)用有限元方法對車輪強度進行全麵分析,對加快輪軸產品設計過程,提高產品設計的可靠性,有著重要的意義。(3)車輪設計和分析的方法應能夠更加合理的反映車輪的實際受力狀況。本文以多年來實際經驗為依據,提出的分析方法,不失為一種有效的方法。



                                                                                  專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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